（检测技术与自动化装置专业论文）基于net的水泥回转窑故障诊断专家系统的研究与应用.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 回转窑是水泥熟料煅烧中的重要设备，其运行情况的好坏，直接影响着水泥熟料的 产量、质量和能耗。目前，对水泥回转窑的故障诊断有两种方法：一种是完全靠人工进 行，一种是引入模糊控制理论和方法。前者这种诊断方式完全依赖于工程操作人员，无 法高效快速准确地完成回转窑的故障诊断；后者够根据不确定的知识进行一定的推理、 诊断，但是存在系统知识难于更新、透明性及交互性差等缺点。因此，设计一个高效、 准确的回转窑故障诊断系统变得十分重要和迫切。 本课题针对现有故障诊断方式的不足，从生产工艺控制角度出发，结合网络技术， 设计了基于n e t 的水泥回转窑故障诊断专家系统。本文的研究内容主要包括以下几方 面： 首先，对水泥回转窑常见工艺故障进行分析，总结出回转窑常见的故障名称以及故 障原因，为后文故障诊断专家系统的开发做准备；其次，对回转窑故障诊断专家系统进 行研究和设计。构建浏览器w e b 服务器数据库服务器- 三层b s 体系架构。对于诊断 性知识和描述性知识，分别采用产生式规则方法及框架方法进行知识表示，应用专家系 统和模糊推理技术实现生产过程异常工况的诊断与控制；接下来，本文设计了系统的各 功能模块。详细介绍了s q l s e r v e r 2 0 0 0 数据库以及a d o n e t 的应用，设计了历史曲线 a c i t v e x 控件。利用o p c 接口，实现与d c s 的实时交互，获取实时数据，运用a j a x 技术，实现网络界面数据的实时刷新，完成实时诊断画面的设计。此外，系统还具有生 产经营信息的无线发送功能，管理者能够通过手机短信的形式获取生产经营信息；最后， 介绍系统的实现与应用情况，包括软件开发环境的配置过程、基于n e t 的水泥回转窑故 障诊断专家系统总体结构图以及具体应用实例。 系统实用性强、创新性强，已在东华水泥有限公司投入使用，产生了较好的经济和 社会效益，具有良好的推广价值和广泛的市场前景。 关键词：水泥回转窑，n e t ，专家系统，故障诊断，模糊控制 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no faf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o r c e m e n tk i i nb a s e do n n e tp l a t f o r m w a n gc o n g ( d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i o nd e v i c e s ) d i r e c t e db yw a n gs h a o l i n a b s t r a c t a si sk n o w n ，t h ec e r ne 】a tr o t a r yk i l ni sa ni m p o r t a n td e v i c ei nt h ec e m e n tp r o d u c t i o nl i n e a n di t sr u n n i n gs t a t u sd i r e c t l ya f f e c t c so u t p u t , q u a l i t ya n de n e r g yw a s t a g eo fc e m e n tc l i n k e r c u r r e n t l y , t h e r ea r et w ow a y st oa c h i e v et h ef a u l td i a g n o s i sf o rc e m e n tc l i n k e r o n et o t a l l y r e l i e so nt h ee x p e r i e n c eo fe n g i n e e r s ，a n dt h eo t h e ri st oi n t r o d u c ef u z z yc o n t r o lt h e o r ya n d m e t h o d si nt h ef a u l td i a g n o s i ss y s t e m t h ep r o j e c to p e r a t o ri sd e p e n d e do ne n t i r e l yi nt h e f o r m e r s oi ti su n a b l et oe f f i c i e n t l ya n da c c u r a t e l yc o m p l e t ef a u l td i a g n o s i so fc e m e n tr o t a r y k i l n s o m eu n c e r t a i nk n o w l e d g et oc a l t yo u tr e a s o n i n gi sp r o p o s e di nt h e l a t t e r h o w e v e r , i ti s d i f f i c u l tt ou p d a t et h ee x i s t i n gs y s t e mk n o w l e d g ew h o s et r a n s p a r e n c ya n d i n t e r o p e r a b i l i t yi s p o o r t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fa ne f f i c i e n ta n da c c u r a t ef a u l td i a g n o s i sf o rr o t a r yk i l ni s b e c o m i n gv e r yi m p o r t a n ta n du r g e n t t oo v e r c o m es h o r t c o m i n g so ft h ee x i s t i n gf a u l t d i a g n o s i s ，c o m b i n i n gw i t hn e t w o r k t e c h n o l o g y , af a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mi sd e s i g n e df o rc e m e n tk i l nb a s e do n n e tp l a t f o r m i nt h i sp a p e r s o m em a i nr e s e a r c hi si n t r o d u c e da sf o l l o w s ： f i r s t l y , s o m ec o m m o nf a u l t so fc e m e n tk i l na r ei n t r o d u c e da n da n a l y z e d ，t h ef a u l tn a m e s a n df a u l tr e a s o n sa r ea l s os u m m e du p ，w h c hi s p r e p a r e df o rd e s i g no ff a u l td i a g n o s i se x p e r t s y s t e ml a t e r s e c o n d l y , t h ef a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e mf o rc e m e n tk i l ni sd e s i g n e d t h e c o n f i g u r a t i o no ft h r e e t i e rb sa r c h i t e c t u r eo fb r o w s e r w e bs e r v e r d a t a b a s ei ss e tu pi nt h i s p a p e r f o rt h ed i a g n o s i sa n dd e s c r i p t i o nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o n ，w eu s ep r o d u c t i o nr u l e s a n df r a m e w o r km e t h o d ss e p a r a t e l y e x p e r t s y s t e m sa n df u z z yr e a s o n i n gt e c h n o l o g ya r e a p p l i e dt oa c h i e v ed i a g n o s i sa n dc o n t r o lo fa b n o r m a lw o r k i n gc o n d i t i o nf o rt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s t h i r d l y , t h i sp a p e rd e s i g n st h ef u n c t i o n a lm o d u l e so ft h i ss y s t e m a p p l i c a t i o no fs q l s e r v e r2 0 0 0d a t a b a s ea n da d o n e ti si n t r o d u c e di nd e t a i l ，a n da c i t v e xf o rh i s t o r yc u r v ei s 山东建筑大学硕士学位论文 a l s od e s i g n e d o p ci n t e r f a c ei su s e dt oa c h i e v er e a l t i m ei n t e r a c t i o nw i t ht h ed c s ，a n da ，a x t e c h n o l o g yi su s e dt oc o m p l e t er e a l t i m ed a t ar e f r e s hf o rn e t w o r ki n t e r f a c e ，a n dt h ed e s i g no f r e a l - t i m ed i a g n o s i ss c r e e n b e s i d e s ，t h es y s t e ma l s od e s i g n st h ew i r e l e s ss e n d i n gf u n c t i o no f p r o d u c t i o ni n f o r m a t i o n m a n a g e r sa l ea b l et og e tp r o d u c t i o ni n f o r m a t i o nb ys m s f i n a l l y , t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h es y s t e ms u c ha ss e t t i n gp r o c e s so f s o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，a r c h i t e c t u r ep l a na n ds p e c i f i ca p p l i c a t i o ne x a m p l e so f c e m e n tk i l nf a u l td i a g n o s i se x p e r ts y s t e m sb a s e do n n e t p l a t f o r m t h ep r o j e c tw h i c hi sp r a c t i c a la n di n n o v a t i v eh i g h l yh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di n s h a n d o n gd o n g h u ac e m e n tc o l t d ，g e t s9 0 0 db e n e f i t so fe c o n o m ya n ds o c i e t y , a n dt h u sh a s ah i g ha p p l i c a t i o nv a l u ea n daw i d em a r k e tp r o s p e c t k e y w o r d s ：c e m e n t k i l n , n e t ，e x p e r ts y s t e m ，f a u l td i a g n o s i s ，f u z z yc o n t r o l 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人承担本声明的法律责 任 学位论文作者签名： 珲二嘲塑丝：笸 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存，汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 山东建筑大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 项目的提出及意义 我国的水泥制造业在国民经济中占有重要的地位，是国民经济的支柱产业之一，在 水泥工艺中，回转窑锻烧是水泥生产中最重要的工艺环节，其中包含了复杂的热工和化 工过程，直接影响着水泥熟料的产量、质量和能耗【1 。目前，对水泥回转窑的故障诊 断有两种方法：一种是完全靠人工进行，一种是将模糊控制理论和方法应用于回转窑故 障检测。前者这种诊断方式完全依赖于工程操作人员的技术水平、责任心，无法高效快 速准确地完成回转窑的故障诊断；后者虽能够根据不确定的知识进行一定的推理、诊断， 但是由于现场工况的复杂多样性，目前水泥回转窑模糊逻辑诊断系统主要依赖于几个主 要参数的检测，远没有提炼到规则表示这一地步，同时存在系统知识难于更新、透明性 及交互性差等缺点，这使专家系统的发展受到了一定的限制【 】。 针对以上的不足，根据窑系统关键工艺参数的异常变化，从生产工艺控制角度出发， 我们研究设计了基于n e t 的水泥回转窑故障诊断专家系统。系统是利用故障诊断、人 工智能、计算机网络、数据库技术等先进理论和方法，研究开发对水泥回转窑故障能够 实施网络化诊断的新型专家系统。系统利用网络技术及实时刷新技术，实现了网络与现 场数据的实时更新功能，实现了网络上实时的故障诊断，通过多层次的网络结构实现网 络上诸多工艺参数状态分散监测、诊断任务的协同工作和集中操作管理。充分融合实时 数据库和关系数据库，将现场流程控制完全融入信息系统，工程技术、管理人员可通过 网络，远程地、随时随地的进行信息获取、更新，为知识库的扩充和完善提供了多信息 来源，使系统的故障诊断和报警功能趋于完善。通过无线测报发送模块，实现了工作人 员可以通过手机短线了解生产信息的功能，智能性高。 基于n e t 水泥回转窑故障诊断专家系统，能及时地、正确地对回转窑设备各种异 常状态或故障状态做出诊断，预防或消除故障，通过网络上丰富的专家资源进行必要的 指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失降低到最低水平。通 过检测监视、故障分析、性能评估等，为回转窑设备的结构修改、优化设计，合理制造 及生产过程提供数据信息。 1 2 故障诊断技术国内外研究现状 故障诊断技术的发展经历了传统诊断技术和智能诊断技术两个阶段。近年来，随着 人工智能技术在故障诊断领域的广泛应用，故障诊断方法的研究也主要集中在智能诊断 山东建筑大学硕士学位论文 方法上。故障诊断专家系统既是智能故障诊断领域中的研究前沿和热点，也是专家系统 领域研究最多且应用最广的一个方向【们】。 国外研究现状： 故障诊断技术在国外开展的较早，已经历了4 0 多年的历史。从6 0 年代中期，尤 其是7 0 年代以来，设备故障诊断技术的研究规模、发展速度、达到的应用程度、以及 所取得的成果，都是十分令人鼓舞的。美国是世界上最早进行故障诊断技术研究的国家。 目前，美国己拥有有多家从事电站故障诊断工作的公司，其中最知名的有b e n t l y 公司、 西屋公司( w h e c ) 和i r d 公司。在欧洲也有很多的公司从事故障诊断技术的研究、 产品的研发及应用。如法国电气研究与发展部近年来发展了以监测与诊断辅助站的 p s a d 系统，用于大型电站机组监测与诊断。瑞士a b b 公司目前正在大力发展振动观 察系统，并由诊断软件精确诊断机器故障。英国在6 0 年代末，由c o l l a c o t t 的机械状态 监测中心首先开始诊断技术的研究，目前己有多家机构从事此项研究。 对于故障诊断的专家系统的研究，英国的d a v ei n m a n 和p h i l l pb u n e l l 研制开发的 f a u l s t 3 是一个对供电网络进行故障诊断的专家系统。纳什来尔理工学院电子、计算 机和系统工程系提出的诊断模型考虑不同的故障和传感器信息，该模型不仅能够进行多 故障诊断，还能够自动产生启发式规则来丰富知识库。奥多米林大学( o l dd o m i n i o n u n i v e r s i t y ) 计算机工程系使用两个专家系统进行制造单元故障检测和维护。这两个专家 系统既互相独立，又互相关联。 国内故障诊断现状： 我国故障诊断技术方面起步较晚，1 9 7 9 年才初步接触设备诊断技术，但由于国家 政府部门重视，发展较快，目前在理论研究方面，形成了具有我国特点的故障诊断理论， 出版了一系列相关的论著，研制出了可与国际接轨的大型设备状态监测与故障诊断系 统。与国外相比我国在诊断技术方面，尽管理论研究上己接近世界水平，但在应用技术 方面差距较大。随着国民经济发展，我国正面临大型技术设备广泛应用的关键时期，因 此为适应国民经济发展形势的要求，必须使诊断技术在研究上提升到一个新的水平。 现在全国从事与电站设备故障诊断系统相关的单位就有数十家，其中有高校、研 究所、设备制造厂等。上海发电设备成套设计研究所、哈尔滨工业大学等单位都开发出 了多种类型的故障诊断装置，山东电力科学研究院和清华大学等单位在1 9 9 7 年共同丌 发了类似于美国西屋公司的系统的“大型汽轮发电机组远程在线振动监测分析与诊断网 络系统”，通过网络方式将多个电厂的振动数据传输到山东电力科学研究院远程诊断中 山东建筑大学硕士学位论文 心站，并通过中心站对振动数据进行远距离的监测分析与诊断。 对于故障诊断的专家系统方面的研究，华中理工大学较早开始了故障诊断领域的 研究，并取得了很大的成果，在故障诊断理论上，提出了一个基于知识的诊断推理的概 念体系。在实际应用方面，哈尔滨工业大学的f m s 实时故障诊断专家系统采用了故障 树分析法进行故障模型的描述，该模型有利于故障的迅速定位，加快了故障的诊断速度。 北京航空航天大学的工程系统工程系的通用故障诊断专家系统开发工具，是一个基于可 靠性分析方法的非实时故障诊断专家系统，推理能力强和开放性好。 对于故障诊断的专家系统，从国内外应用情况看，基于知识的设备故障诊断一般 有两种解决方案基于模型的诊断和基于非模型的诊断。基于非模型的诊断推理，国内如 华中理工大学等前三个系统采用了故障树的故障模型，使用了层次分类方法来组织知识 库，并且应用了基于规则的知识表示和推理。这种方法的优点是建立方便，适用范围广。 缺点是基于规则诊断的推理在规则库变大时，效率急剧降低，知识库的维护困难。但是 求解机械设备的诊断问题总是优先使用基于非模型的推理策略，对于基于模型的推理策 略则一般只限于使用基于因果模型的推理策略。国外的诊断系统多采用基于模型的在线 故障诊断系统，为了满足在线诊断的实时性要求，采用的算法都力求简单实用，而且大 都针对某一特定的、易于出现故障的部位。 在上述系统中，在知识库中的诊断对象数目非常大的时候，知识库的维护变得非 常困难。在知识推理上传统专家系统是用串行方式其推理方法简单控制策略不灵活，且 推理速度慢、效率低【9 1 。 1 3 课题研究的主要内容 基于n e t 的水泥回转窑故障诊断系统涉及了n e t 技术、故障诊断技术、人工智 能技术、计算机网络技术、数据库技术等多个新兴学科、多技术领域交又渗透的新型研 究领域。 本论文各章节安排如下： 第一章主要介绍了课题的研究背景与意义，以及故障诊断技术的国内外研究现状， 并提出本课题研究的主要内容。 第二章详细介绍了水泥回转窑的工艺及常见工艺故障分析，为后文故障诊断专家系 统的丌发提供理论基础。 第三章对n e t 的故障诊断专家系统进行了研究与设计。构建系统三层b s 网络结 山东建筑大学硕士学位论文 构模型，并着重对知识库的建立以及推理机机制进行研究。应用专家系统和模糊推理技 术实现生产过程异常工况的诊断与控制。同时对人机接口及解释机制做了简要的介绍。 第四章阐述了系统各功能模块的设计。包括s q l 数据库与a d o n e t 技术的应用， 历史曲线a c i t v e x 控件的设计。研究a j a x 实时数刷新技术，并介绍其在实时故障诊断 画面中的应用情况。介绍o p c 技术，开发o p c 客户端并与d c s 的实时交互，获取数 据存入s q l 数据库以供实时故障诊断时使用。设计生产经营信息的无线发送程序，使 管理者能够通过手机短信的形式获取生产经营信息。 第五章主要研究系统的实现与应用情况。介绍了软件开发环境的配置过程以及基 于n e t 的水泥回转窑故障诊断专家系统总体结构图，并给出用户管理、知识库管理、 实时故障诊断、历史曲线查询四个模块应用实例。 第六章对本论文工作做出了总结，指出了不足及将来的工作方向。 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章水泥回转窑工艺故障分析 水泥回转窑烧成系统工况监测是实现回转窑故障诊断的主要步骤之一。通过对现场 实时工况监测，既能够了解当前系统工作状况，还可以对重要工艺参数进行监视。当系 统出现异常时，可以及时实施诊断，分析故障原因并进行排除，尽可能的将故障造成的 损失减少到最小。本章在介绍丁水泥回转窑的工艺，并对常见工艺故障进行分析总结， 为后文故障诊断专家系统的开发做准备。 2 1 水泥回转窑工艺 水泥厂生产工艺通常简要概括为“三磨一窑”，即生料磨、煤磨、水泥磨和窑系统。 生料粉磨和煤磨系统分别为窑系统提供燃料和原料，水泥磨系统把窑系统生产出的水泥 熟料粉磨成水泥。其中水泥窑系统是水泥工艺中非常重要的一个环节。水泥回转窑在水 泥生产技术中承担着熟料锻烧任务，有者非常独特的功能；作为燃料的燃烧装置它具 有广阔的空间和热力场，可以提供足够的空气，它装设优良的燃烧装簧能保证燃料的充 分燃烧，为水泥锻烧提供必要的热量；作为热交换装备，它具有比较均匀的温度场，可 | 三l 满足水泥熟料生产过程各个阶段的换热要求；作为化学反应器，随着水泥熟料矿物形 成不同阶段的不同需要，它既可阶段地满足不同口物形成对热量、温度的要求，又可以 满足它们对时一问的要求；作为输送设备，它具有更大的潜力，因为物料在回转窑断面 内的填充率、窑斜度和转速都是很低的， 水泥回转窑的工艺流程图21 所示： p 函 “：4 ce 郇 ”呻： 。 n 7 ；l 。 f _ -( 图2l 水泥回转窑的工艺流程囤 ， 山东建筑大学硕士学位论文 生料被送入i 级和i i 级旋风筒的连接管道，然后被由i i 级旋风简吹来的热风带入i 级筒，在i 级内加热分离落入i i 级和i i i 级筒的连接管道，被由i i i 级旋风筒吹来的热风 带入级筒，物料级旋风筒被加热到大约7 8 0 1 2 分离后，由在级筒下面的分料 挡板把物料分为两路，大约5 0 进入窑尾上升管道，5 0 进入分解炉内；在分解炉涡旋 室上部设四根喷煤嘴，喷入煤粉；物料在分解炉内几乎全部完成分解后，进入v 级筒 分离入窑；从冷却机抽来的热风进入分解炉涡旋室，然后随烟室来的烟气一起进入分解 炉。在窑尾烟室和分解炉之间的上升管道及三次风管上，均设置风量调节挡板，以控制 两者风量的平衡。分解炉排出的烟气经v ，i i ，i i ，i 级旋风筒加热物料，i 级出口 气体温度大体降到3 4 5 ，通过管道由主排风机排走。在i - v 级筒的连接管道上设有冷 风门，必要时可作为烟囱使用，此外，在i 级筒出口气体超温时，亦可由此吸入冷风以 降低废气温度，保护主排风机安全。经预热器、分解炉后大体完成了碳酸盐分解的物料 进入窑体进行锻烧，锻烧后的熟料进入窑头蓖冷机系统进行熟料冷却，再经盘式输送机 输送到熟料库存储【l l 】。 根据熟料生产的六个过程，回转窑可以分为干燥、预热、分解、放热、烧成及冷却 等六个带。其中干燥、预热在预热器进行，物料分解在分解炉进行，窑内只进行小部分 分解反应和放热反应、烧结反应、熟料冷却。烧成带是锻烧过程的关键部分，其间物料 直接受火焰加热，物料温度达1 3 0 0 1 4 5 0 ，出现液相，生成硅酸三钙并形成熟料。 物料在烧成带中停留的时间与诸多因素有一关，一般约为l o 分钟至2 0 分钟。 2 2 回转窑相关工艺参数 水泥生产过程是一个非常复杂的过程。生产过程中，窑头的工作状况是最重要的 参数，再加上熟料的冷却、下料等，构成了复杂的熟料煅烧生产线，整个过程包含温 度、流量、压力、n o x 等有一百多个在线工艺参数，以及生料、煤的成份等相当多的 离线参数，这些参数和水泥产量、质量、生产成本、安全生产有着非常直接的关系。 窑的参数对于窑的控制起着至关重要的作用，本文对影响回转窑正常状况的一些主要 控制参数做了总结【1 2 1 3 】： 1 ) 生料喂料量：入窑生料量决定了水泥窑的产量，通常要求稳定在水泥窑的设 备能力指标。窑皮垮落、窑内流动的物料过多时，应该迅速减少生料喂料量，调整窑 内工艺波动，直到窑内工艺恢复正常后，再把入窑的生料喂料量渐渐提上来，保证窑 的产量。 山东建筑大学硕士学位论文 2 ) 分解炉喂煤量：在分解炉内将生料中的碳酸钙彻底分解，分解炉喂煤的作用 是提供热源，保证分解碳酸作用需要的温度。 3 ) 窑头喂煤量：窑头喂煤的作用是为窑筒体内化工反应提供充足的热源，尤其 是窑头的熟料烧成区，热量供给是否充分直接决定了熟料质量的好坏。烧得“过火 或者“欠火都不好。 4 ) 窑转速：水泥窑的转速能够直接影响了物料在窑筒体内的通过时间，间接影 响熟料的产量以及烧成质量。在窑正常运行的情况下，窑转速应该与生料喂料量有配 合关系。 5 ) 窑电流：在回转窑的操作中，窑主电机电流能够及时地反映出烧成带的情况， 可以预示大约半少时后烧成带的情况，提示操作人员采取必要的调整。在熟料生产过 程中，窑电流是判断系统运行状况的最关键参数点。 窑电流反映了回转窑内烧成带的情况，其具体情况如下： ( 1 ) 窑电流基本平稳，窑内热工制度是稳定的。 ( 2 ) 窑电流逐渐下降表明窑的负荷减小，窑内温度也会逐渐降低。 ( 3 ) 窑电流逐渐增加表明窑负荷增加，窑内温度在逐渐上升或形成长而厚的窑 皮。 ( 4 ) 窑矩突然升高之后慢慢下降表明窑内有窑圈或窑皮垮落，升幅越大则窑圈 或跨落窑皮越多。 ( 5 ) 窑驱动电流由平直突然下降后又缓慢降低，表示窑口圈垮落，掉入冷却机 内。 6 ) 窑头压力：通常要求窑头压力为微负，目的是防止窑头喷火。窑头负压稳定 也表征冷却机入窑二次风及窑内通风之间的平衡。通常来说，增加窑尾排风量，则窑 头负压将增大；反之减小。在正常情况下，要保持窑尾风机风量尽可能不变，否则会 影响回转窑系统的热工平衡。通常窑头负压应该保持在1 0 0 - 5 0 p a 之间。 7 ) 窑尾气体温度：合适的窑尾温度对于物料均匀加热、防止窑尾烟室、上升管 道以及旋风简因温度过高而发生物料粘结堵塞非常重要，一般控制在9 0 0 , - - 1 1 0 0 之间。 ( 1 ) 窑尾温度过高，可能有以下情况：预热器上升烟道温度高，则上部旋风 筒堵塞。c o 含量多，则窑头用煤量多。窑尾负压大，则窑内拉风大。分解炉 的煤没有充分燃烧，而到窑尾处燃烧。通风量不足，煤粉在烧成带燃烧不完全，拉 到窑尾燃烧了。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 2 ) 窑尾温度过低，可能有以下情况：1 ) 窑尾负压增大，则窑后结圈。2 ) 窑尾负 压降低，则预热器部分有严重漏风。3 ) 窑尾负压升高并大幅度摆动，则窑后有大料球。 8 ) 窑尾负压：一般控制在3 5 0 - 1 5 0 p a ，通过检测窑尾负压值能帮助了解回转窑内 气流阻力的变化情况。当负压值小于设计范围，窑内可能出现结圈。 9 ) 分解炉出口温度：表征物料在分解炉内预分解的情况，一般控制在8 5 0 - 9 0 0 合适，这样可以保证物料在分解炉内预分解状况的稳定，从而使整个窑系统的热工 状况稳定，对防止结皮、堵塞也十分重要。 1 0 ) 烧成带温度：实际上包括物料温度、气流温度、火焰温度等。它是直接反映 烧成带工况的重要参数。窑头烧成带是烧制熟料的重要反应区，熟料质量好坏直接与 烧成带温度有关，烧成带温度大约控制在1 4 5 0 左右。如果烧成带温度过低，则生成 的硅酸三钙少，达不到水泥标准。如果烧成带温度过高，则会使窑体过热，缩短耐火 砖的寿命乃至回转窑的寿命。 1 1 ) 一级筒出口温度：温度太高，说明喂料量与燃料量不匹配，会造成其他旋风 筒发生粘结堵塞：同样，温度过低，说明喂料量与燃料量不匹配，使分解炉分解率偏低， 通常控制在3 3 0 - 3 8 0 之间。 1 2 ) 分解炉三次风阀门：三次风是指从窑头冷却机引到分解炉的热空气，空气温 度高可减少分解炉喂煤量。三次风阀门是调节三次风流量的。 1 3 ) 冷却机风机风量：冷却机的风量，一方面为了快速冷却熟料，提高熟料的性 能：一方而为了回收热量，达到节能的目的。 1 4 ) 预热器出口氧气浓度、窑尾氧气浓度：氧气浓度可反映燃烧的状况，判断煤 与风的配合是台合理，做出相应的调节。氧气浓度过高过低都不好。 1 5 ) 窑尾气体温度、压力：窑尾部位是分解炉与窑简体的交合处，窑尾的温度、 压力是整个窑系统工艺状态的二个重要分布点。 2 3 回转窑常见故障分析 在水泥生产过程控制实践中，有很多难以对付的控制问题，尤其在涉及传热、传质 和化学反应的过程中更为常见，例如水泥回转窑、分解炉、蓖冷机等过程，因非线性、 时滞、机理复杂和复杂反应多等因素而难以建模，用常规控制方法难以有效控制。然而， 富有经验的操作员却能运用人类特有的观察、推理和学习能力，通过直觉可以安全有效 地对这一类过程进行控制。通过对水泥生产企业的专家及尘产系统运行人员长期的实践 山东建筑大学硕士学位论文 经验进行总结，水泥生产中常见的异常工况及现射1 4 9 1 。 1 ) 还原状态： ( 1 ) 预热器0 2 含量( 百分比) 低。 ( 2 ) 预热器c o 含量( 百分比) 高。 ( 3 ) 产生黄心料。 2 ) “堆雪人 ： ( 1 ) 窑头负压波动大，甚至出现正压。 ( 2 ) 固定篦床下面压力大。( 3 ) 固定篦板温度高。 3 ) “红河： ( 1 ) 篦冷机出口温度高。 ( 2 ) 篦冷机出料为红料，没有得到冷却。 ( 3 ) 现场观看，篦床上面全部为红料。 ( 4 ) 篦床下面压力过大，高于正常值。 ( 5 ) 篦冷机冷却风机电流底，吹不透。 ( 6 ) 熟料结粒差，细料多。 4 ) 塌料： ( 1 ) 系统负压波动大，突然增大或突然减小。 ( 2 ) 窑尾温度突然降低。 ( 3 ) 窑电流突然降低。 ( 4 ) 一段篦床下面压力增大。 5 ) 红窑： ( 1 ) 窑电流迅速升高，且超出正常区域。 ( 2 ) 窑胴体温度局部过高，现在观看有暗红色斑点。 ( 3 ) 烧成带温度急剧升高 6 ) 跑生料： ( 1 ) 对于一定生料喂料量，用煤量偏少，热耗控制偏低，煅烧温度不够。 ( 2 ) 结圈或大量窑皮垮落，来料量突然增大，用煤量和窑速没有及时调节或者判 断有误。 ( 3 ) 分解炉用煤量偏小，入窑生料分解率偏低，窑用煤量较多但通风不好，烧成 山东建筑大学硕士学位论文 带温度提不起来。 ( 4 ) 回转窑产量在偏低范围内运行，致使预热器系统塌料频繁发生。 7 ) 后接圈： ( 1 ) 生料均匀性较差，化学成分波动较大，熔融相出现显著变化。 ( 2 ) 生料k h 和1 1 值偏低，煅烧火焰又太长。 ( 3 ) 煤粉偏粗或燃烧器空气不足产生还原气氛，使f e 2 0 3 液相提前出现。 ( 4 ) 煤、风混合不好，煤粉集中沉降。 8 ) 结大块： ( 1 ) 熟料k h 和n 值低，熔融相尤其是f e 2 0 3 含量太高。 ( 2 ) 火焰太短，烧成带温度太高，物料被烧流。 ( 3 ) 对于当时实际煅烧情况，控制窑速太慢。 ( 4 ) 用煤量多，控制热耗偏高。 9 ) 窑尾和预分解系统温度偏高： ( 1 ) 生料k h 、n 值偏高，熔融相( a 1 2 0 3 和f e 2 0 3 ) 含量偏低；生料中f s i 0 2 比较 高和生料细度偏粗。 ( 2 ) 窑内通风不好，窑尾空气过剩系数偏低，系统漏风产生二次燃烧。 ( 3 ) 排灰阀配重太轻或是排灰阀阀杆吊起，致使旋风筒收尘效率降低，物料循环量 增加，预分解系统温度升高。 ( 4 ) 供料不足或是来料不均匀。旋风筒堵塞使系统温度升高。 ( 5 ) 燃烧器外流风太大、火焰太长，致使窑尾温度偏高。 ( 6 ) 烧成带温度太低，煤粉后燃。 ( 7 ) 窑尾负压太高，窑内抽力太大，高温带后移。 1 0 ) 窑尾和预分解系统温度偏低： ( 1 ) 对于一定量的喂料量来说，用煤量偏少。 ( 2 ) 排灰阀工作不灵活，局部堆料或是塌料。由于物料分散不好，热交换差，致使 预热器c 1 出口温度升高，但窑尾温度下降。 ( 3 ) 预热器系统漏风，增加了废气量和烧成热耗，废气温度下降。 1 1 ) 烧成带温度太高： ( 1 ) 来料少而用煤量没有及时减少。 ( 2 ) 燃烧器内流风太大，致使火焰太短，高温带太集中。 山东建筑大学硕士学位论文 ( 3 ) 二次风温度太高，黑火头短，火点位置前移。 1 2 ) 冷却机废气温度升高： ( 1 ) 冷却机蓖板运行速度太快，熟料没有充分冷却机中部或后部。 ( 2 ) 熟料冷却风量不足，出冷却机熟料温度高，废气温度自然升高。 ( 3 ) 熟料层阻力太大( 料层太厚或熟料颗粒细) 或料层太容易穿透( 料层太薄或熟 料颗粒太粗) ，这样熟料冷却不好，出口废气温度升高。 1 3 ) 窑尾和预分解系统温度偏低： ( 1 ) 对于一定量的喂料量来说，用煤量偏少。 ( 2 ) 排灰阀工作不灵活，局部堆料或是塌料。由于物料分散不好，热交换差，致使 预热器c 1 出口温度升高，但窑尾温度下降。 ( 3 ) 预热器系统漏风，增加了废气量和烧成热耗，废气温度下降。 1 4 ) 窑头或冷却机回窑熟料尘量太大： ( 1 ) 烧成带温度偏低，熟料烧成不好，f c a o 含量高。 ( 2 ) 回转窑u d 值偏大，入窑生料c a c 0 3 分解率控制不高，使新生态c a o 和c 2 s 在较长的过渡带内产生结晶，c 2 s 活性降低，形成较为困难，容易生产飞砂料。 ( 3 ) n 值太高，液相量偏少，熟料烧结困难，也容易产生飞砂料。 ( 4 ) 窑头跑生料。 ( 5 ) 冷却机一室高压风机风量太大。 ( 6 ) 大量窑皮垮落，而这种窑皮又比较疏松。 1 5 ) 旋风简积料： ( 1 ) 旋风筒锥部负压偏低或波动大。 ( 2 ) 旋风筒顶部温度偏低 1 6 ) 预热器堵塞 ( 1 ) 系统负压突然降低或出现正压。 ( 2 ) 预热器项部温度不变，而旋风简温度降低。 以上表明，工艺参数与异常工况之间有着较为复杂的关系：一方面，同一参数可以 表征多种不同的异常工况，另一方面，对某种类型异常工况的诊断往往需要同时对多个 工艺参数进行综合分析方能完成，如对跑生料的诊断就需要同时考虑生料喂料量、窑电 流、窑尾气体n 0 x 含量、烧成带温度和冷却机蓖床速度等五种工艺参数的变化情况。 因此，根据检测所得到的原始工艺参数直接进行异常工况的诊断是非常困难的。与此同 山东建筑大学硕士学位论文 时，水泥生产过程的工况并不仅与工艺参数的绝对量有关，而且往往与参数的变化量有 着更为直接的关系，例如当预热器锥体的负压突然下降时，表明生产过程出现了异常， 可能发生了塌料，而此时的负压值有可能显示还处于正常范围之内。因此，有必要在关 键参数的基础上，提取能够更直接和更有效地反映生产过程状态的特征参数，作为异常 工况诊断的表征。 2 4 本章小结 通过对水泥回转窑工艺的研究，介绍相关影响回转窑特性的相关重要参数的特性， 并总结出水泥生产中常见的异常工况及原因，为后文故障诊断专家系统的开发做准备。 山东建筑大学硕士学位论文 第3 章故障诊断专家系统的研究与设计 3 1 回转窑故障诊断专家系统 基于n e t 的水泥回转窑故障专家系统结合了故障诊断技术、网络技术、数据库技 术等先进理论和方法，实现了对水泥回转窑故障的网络化诊断，充分融合实时数据库和 关系数据库，将现场流程控制完全融入信息系统，使得工程管理人员可通过网络，远程 地、随时随地的进行信息获取、更新，为知识库的扩充和完善提供了多信息来源，使系 统的故障诊断和报警功能趋于完善。 3 1 1 网络结构 水泥回转窑故障诊断专家系统采用“浏览器爪协服务器数据库服务器三层b s 体系架构。如图3 1 所示。 表示层 中间层 据服务层 图3 1 网络诊断专家系统结构 表示层为浏览器。用户可以通过浏览器查看回转窑诊断专家系统的知识库、重要工 况参数的状态信息以及诊断信息等，领域的专家通过浏览器进行知识库修改，对w 曲 服务器进行访问。 中间层也叫做业务逻辑层，本系统中它分为应用逻辑和数据逻辑两个部分，位于 w e b 服务器端。应用逻辑在这里主要指的是i n t e r n e t 信息服务( i i s ) 和a s p n e t 的后 台编码。数据逻辑为n e t 程序集，它主要负责的是和数据库进行连接、操作等工作。 w e b 服务器端的应用逻辑接收并处理用户提供的修改数据信息，执行相应的扩展应用程 序与数据库进行连接，向数据库服务器提出数据处理请求，然后等数据库服务器将数据 山东建筑大学硕士学位论文 处理的结果提交给w e b 服务器，最后w e b 服务器把执行结果以h t m l 格式发给客户端， 在浏览器中向用户显示。 数据层为数据库服务器。其任务是接受w e b 服务器对数据库操作的请求，实现对 数据库查询、修改、更新等功能，把运行结果提交给w e b 务器。数据库服务器采用 m i c r o s o i ts q ls e r v e r2 0 0 0 数据库与a d o n e t 数据访问接口。 系统采用这种结构可以有效减少网络通讯量，提高网络运行效率，同时实现了故障 诊断技术与网络技术的融合，可以进行远程诊断、协同诊断。网络环境下的故障诊断专 家系统的知识库输入与修改已经不要设计者亲自来完成，只需要系统使用人员或者行业 专家通过网络界面进行不断充实，克服了传统专家系统知识库封闭或者半封闭缺点，大 大提高了知识库的灵活性。所以说，三层b s 架构的水泥回转窑故障诊断专家系统可以 大大提高系统的实际应用价值。 3 1 2 系统结构 水泥回转窑网络故障诊断专家系统是基于水泥行业专家的知识和经验建立的系统。 系统主要由知识库、数据库、推理机、解释机制和人机接口五部分组成【2 0 ，2 1 1 。其结构图 如图3 2 所示： 图3 2 专家系统结构图 知识库用于存放水泥行业专家的经验知识以及有关的事实、规则等：数据库主要存 放窑的一些重要的运行参数以及推理机的中间结果；推理机是控制、利用知识库中各类 知识进行推理，导出问题的结论：解释机构的作用是让用户了解诊断的过程，同时向操 山东建筑大学硕士学位论文 作员等技术人员提供诊断知识，提高实际诊断处理水平；人机接口是实现系统与用户交 互的模块，人机接口是实现系统与用户交互的模块，用户可以通过人机接口实现对知识 库的扩充、修改和维护，也可以通过简单的输入得到诊断和咨询结果。 3 2 诊断知识库的建立 拥有知识是专家系统区别于其他计算机系统的重要标志，专家系统的核心是知识。 知识库中知识的数量与质量很大程度上决定了专家系统的能力，从而专家系统建立的关 键就在于知识库的建立。知识库的构建要实现三方面的要求： 1 ) 与工程设计特点紧密结合。根据该领域不同工程的设计特点，有效、准确地表 达和存储领域中的各种知识。 2 ) 与推理机的相互独立。知识库的组织须保证知识库与推理模块的相对独立性使 知识库内知识的变动不会引起知识处理机制的改动；另外，知识的组织还要方便所选择 的推理策略的实施。 3 ) 便于管理和维护。要便于知识库内容一致性和完整性的检查和维护，知识库的 功能或性能易于改进。 3 2 1 知识获取 知识的获取是进行专家系统开发重要问题之一。领域专家与知识工程师合作总结领 域知识以及他们的经验知识和研究成果等，按照专家系统规定的知识表示形式，整理成 若干个知识集，并将其存入知识库，这种过程称之为知识获取。知识获取研究如何从知 识源获得专家系统要解决的特定问题所需要的各种知识，其主要目的在于将可在专家系 统中编码的感兴趣知识编成知识体。知识获取的任务是为专家系统获取领域知识，建立 起健全、完善、有效的知识库，以满足求解领域问题的需要。 水泥回转窑故障诊断专家系统中知识源主要包括两个方面： 1 ) 水泥行业的专家